一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法

2023-04-23 10:06:36 2

一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法
【專利摘要】本發明涉及石油天然氣鑽井作業中一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法。其技術方案是：本裝置安裝在鑽頭和井底鑽具之間，本裝置有一個外套筒，套筒內裝活塞、彈簧、花鍵，通過控制套筒缸的體積帶動外套筒相對空心軸軸向移動，從而使鑽頭脫離井底。本裝置在鑽頭處扭矩達不到破巖所需值的時候將鑽頭向上提升一定高度以減小破巖所需的扭矩，防止鑽頭短暫的停止轉動和瞬時釋放能量即粘滑振動的發生，使鑽頭能保持在正常工況下實施鑽進，以減小粘滑振動對鑽頭齒的損壞，提高鑽頭的使用壽命。本發明不僅能減弱粘滑振動對鑽頭的損壞、提高機械鑽速、減少能量的損失、提高破巖效率，而且還具有不增加額外工藝、實施方便，安全可靠等優點。
【專利說明】一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石油天然氣鑽井作業中一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法。
【背景技術】
[0002]在石油天然氣鑽井作業中，由於PDC (聚晶金剛石複合片)鑽頭的機械鑽速快、破巖效率高的特點，得到了非常廣泛的應用。但在使用PDC鑽頭中也有其不足的地方，即粘滑振動對鑽頭齒的衝擊損壞十分嚴重。當使用PDC鑽頭鑽一些難鑽底層的時候，常常因為鑽頭處得不到足夠大的扭矩，達不到破巖所需扭矩導致鑽頭轉速減緩甚至停止轉動。但是與此同時，鑽柱在驅動裝置的驅動下仍然繼續旋轉並卷繞，沿著鑽柱的長度儲存扭矩能量。一旦達到破碎底層所需扭矩的時候，鑽柱上儲存的能量將會瞬間釋放驅動PDC鑽頭快速旋轉。其結果一方面使得鑽頭的旋轉速度遠遠大於其正常旋轉時的速度，鑽頭所受到的衝擊載荷也遠遠大於正常鑽進時所受到的衝擊，將引起鑽頭齒的破損，導致鑽頭的損壞，極大縮短了PDC鑽頭的壽命、降低了機械鑽速。另一方面下部鑽柱將以比上部鑽柱更高的轉速快速旋轉，極易引發鑽柱螺紋的倒扣，導致下部鑽具脫扣掉井裡，造成嚴重的井下事故的發生。以上過程即為PDC處的粘滑振動。粘滑振動的頻率越高，對PDC鑽頭的衝擊破壞就越大，不僅嚴重影響鑽頭的壽命、影響機械鑽速的提高，而且增加了鑽井施工的成本、造成了安全隱
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【發明內容】

[0003]本發明的目的是為了減弱鑽頭處粘滑振動對PDC鑽頭的破壞性衝擊，延長鑽頭的使用壽命，提高機械鑽速效率， 減少能量的損失。特別提供了一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法。
[0004]為了達到上述的目的，本發明解決上述問題所採取的技術方案是:一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法，其特徵是:本裝置是由外套筒、彈簧、活塞、空心軸導流孔、套筒缸、空心軸、空心軸上端接頭、應變傳感器、套筒導流孔、閥門、自動閥門開關、擋環、空心軸通孔、套筒孔眼、花鍵等組成。外套筒和空心軸通過花鍵連接，空心軸上端安裝有應變傳感器，套筒缸內裝有彈簧、活塞、閥門和自動閥門開關，彈簧下端與套筒缸接觸上端與活塞接觸，空心軸上開有心軸導流孔和空心軸通孔，外套筒上開有套筒導流孔和套筒孔眼。正常工況下，驅動裝置通過鑽柱帶動空心軸轉動，空心軸再通過花鍵帶動外套筒和鑽頭轉動破巖；與此同時，鑽壓通過鑽柱傳遞到空心軸上，再通過外套筒內的活塞和彈簧將鑽壓傳遞到外套筒和鑽頭上，實現正常鑽進；當井底發生粘滑振動時，鑽頭旋轉減緩甚至停止轉動，但是井底鑽具仍然會帶動心軸扭轉，因而會在空心軸上端接頭處產生較大的變形，當變形超過自動閥門開關設定的值後，安裝在空心軸上端的應變傳感器會將監測到的信號傳遞給自動閥門開關來打開閥門；閥門打開後，鑽井液通過空心軸導流孔進入套筒缸，再通過套筒導流孔流入環空中；由於空心軸導流孔的直徑比套筒導流孔的直徑大，通過進出口流體壓差將使套筒缸的體積變大，從而推動外套筒沿軸線向上移動，同時將鑽頭提升脫離井底；當鑽頭的提升可以實現破巖時，鑽頭和外套筒將會重新同空心軸一起旋轉，此時空心軸的應變將減小，自動閥門開關會根據應變傳感器反饋的信息自動關閉閥門，再繼續進行正常鑽進。
[0005]本發明的有益效果是:(I)減弱鑽頭處粘滑振動對PDC鑽頭的衝擊損壞，延長roc鑽頭的使用壽命；(2)提高鑽井作業中機械鑽速的效率，縮短施工所需時間，減少施工成本；(3)減少能量的損失，使能量得到有效的利用；(4)防止井下鑽具脫扣掉入井底井下事故的發生，減小鑽井施工的安全隱患。本發明在不增加原有施工工序的情況下，實施方便，
安全可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是本發明一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法，在正常鑽進工況下的工作狀態示意圖。
[0007]圖2是本發明一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法，在井底發生粘滑振動時的工作狀態示意圖。
[0008]圖3是本發明一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法，另外一種【具體實施方式】示意圖。
[0009]附圖中:1.外套筒，2.彈簧，3.活塞，4.空心軸導流孔，5.套筒缸，6.空心軸，
7.空心軸上端接頭，8.應變傳感器，9.套筒導流孔，10.閥門，11.自動閥門開關，12.擋環，13.空心軸通孔，14.套筒孔眼，15.花鍵，16.井壁，17.鑽頭，18.軸承擋圈，19.止推軸承，20.上空心軸，21.下空心軸。
【具體實施方式】
[0010]本發明一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法，有兩種具體實施的方式，附圖1和附圖2為第一種【具體實施方式】，圖3為第二種【具體實施方式】。
[0011]第一種【具體實施方式】參照附圖1、2所示，本發明一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法。其特徵是:本發明有一個外套筒1，外套筒I內裝有活塞3和自動閥門開關11，來控制套筒缸5的體積從而帶動外套筒I相對空心軸6軸向移動。外套筒I和空心軸6通過花鍵15連接，空心軸6上端安裝有應變傳感器8，套筒缸5內裝有彈簧2、活塞3、閥門10和自動閥門開關11，彈簧3下端與套筒缸5接觸上端與活塞3接觸，空心軸6上開有心軸導流孔4，外套筒I上開有套筒導流孔9和套筒孔眼14。
[0012]參照附圖1所示，附圖1表示本發明在井底未發生粘滑振動即正常工況下鑽進時的狀態示意圖。正常工況下，驅動裝置通過鑽柱將旋轉扭矩傳遞給空心軸6，空心軸6通過花鍵15將旋轉扭矩傳遞給外套筒I和鑽頭17，帶動鑽頭17旋轉破巖；與此同時，鑽壓通過鑽柱傳遞到空心軸6上，再通過外套筒I內的活塞3和彈簧2將鑽壓傳遞到外套筒6和鑽頭17上，實現正常鑽進。
[0013]參照附圖2所示，附圖2表示本發明在井底鑽頭處發生粘滑振動時的工作狀態示意圖。當井底發生粘滑振動時，鑽頭17處的扭矩達不到破巖所需的值，鑽頭17旋轉減緩甚至停止轉動，但是井底鑽具仍然會帶動心軸6旋轉卷繞，因而會在空心軸上端接頭7處產生較大的變形，當變形超過自動閥門開關11內預設的值後，安裝在空心軸上端的應變傳感器8會將監測到的信號傳遞給自動閥門開關11來打開閥門10。閥門10打開後，鑽井液通過空心軸導流孔4進入套筒缸5，再通過套筒導流孔9流入環空中。然而，空心軸導流孔4的直徑比套筒導流孔9的直徑大很多，通過流入和流出的流量差將使套筒缸5的體積變大，從而推動外套筒I沿軸線向上移動，同時將鑽頭17提升脫離井底。隨著鑽頭17的提升，破巖所需的扭矩就會降低，鑽頭17處的扭矩達到破巖所需扭矩的時候，鑽頭17和外套筒I將會重新同空心軸6 —起旋轉，此時空心軸6的應變將減小。自動閥門開關11會從應變傳感器8處反饋的信息自動的關閉閥門10再繼續進行正常鑽進。
[0014]第二種【具體實施方式】參照附圖3所示，附圖3是本發明一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置及其控制方法的第二種【具體實施方式】。其特徵是:本裝置由外套筒1、彈簧2、活塞3、空心軸導流孔4、套筒缸5、空心軸上端接頭7、套筒導流孔9、擋環12、空心軸通孔13、套筒孔眼14、花鍵15、軸承擋圈18、止推軸承19、上空心軸20、下空心軸21組成。外套筒I內裝有彈簧2和活塞3 ;彈簧2下端與外套筒I接觸上端與活塞3接觸；上空心軸20和活塞3通過螺紋固定在一起，下空心軸21通過止推軸承19與活塞3連接在一起；下空心軸21通過花鍵15與外套筒I相連接；下空心軸21上開有導流孔4，活塞3上開有導流道22，外套筒I上開有導流孔9和套筒孔眼14。
[0015]參照附圖3所示，正常工況下，驅動裝置通過鑽柱將旋轉扭矩傳遞給上空心軸20，上空心軸21通過活塞3將旋轉扭矩傳遞彈簧2，彈簧2將旋轉扭矩傳遞給外套筒I和鑽頭17 (圖3中未表示出)，並帶動鑽頭17 —起旋轉破巖，花鍵15將旋轉扭矩傳遞給下空心軸21，下空心軸21與上空心軸20同時轉動；與此同時，鑽壓通過鑽柱傳遞到上空心軸20和活塞3上，活塞3再通過彈簧2將鑽壓傳遞到外套筒I和鑽頭17上，實現正常鑽進，此時下空心軸導流孔4與外套筒導流孔9錯位沒有形成鑽井液通道。當井底鑽頭17處發生粘滑振動的時候，鑽頭17處的扭矩達不到破巖所需的扭矩值，鑽頭17旋轉減緩甚至停止轉動，而上空心軸20在驅動裝置的驅動下仍然繼續旋轉並帶動彈簧2相對下空心軸21空轉，將導致上空心軸20相對下空心軸21轉動，這樣空心軸導流孔4與外套筒導流孔9就會接通，鑽井液進入套筒缸5內再通過套筒導流孔9流出裝置內進入環空；然而，空心軸導流孔4的直徑比套筒導流孔9的直徑大很多，通過流入和流出的流量差使套筒缸5的體積變大，從而推動外套筒I沿軸線向上移動，同時將鑽頭17提升脫離井底。隨著鑽頭17的提升，破巖所需的扭矩就會降低，鑽頭17處的扭矩達到破巖所需扭矩的時候，彈簧2恢復初始狀態，鑽頭17、下空心軸21和外套筒I將會重新同上空心軸20 —起旋轉，下空心軸導流孔4和外套筒導流孔9再次錯位斷開鑽井液導流通道。鑽井液通過空心軸通孔13經鑽頭水眼進入環空，恢復正常鑽進。整個過程大大減弱了粘滑振動對鑽頭齒的衝擊損壞，提高了鑽頭的使用壽命，提高了機械鑽速，縮短了施工周期，節約成本花費，保證了安全可靠地鑽井作業。
【權利要求】
1.一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置的控制方法，其特徵是:本裝置主要包括外套筒(I)、彈簧(2)、活塞(3)、空心軸導流孔(4)、套筒缸(5)、空心軸(6)、空心軸上端接頭(7)、應變傳感器(8)、套筒導流孔(9)、閥門(10)、自動閥門開關(11)、擋環(12)、空心軸通孔(13)、套筒孔眼(14)和花鍵(15);外套筒(I)和空心軸(6)通過花鍵(15)連接，空心軸(6)上端安裝有應變傳感器(8)，套筒缸(5)內裝有彈簧(2)、活塞(3)、閥門(10)和自動閥門開關(11)，彈簧(2)下端與套筒缸(5)接觸上端與活塞(3)接觸，空心軸(6)上開有空心軸導流孔(4)，外套筒(I)上開有套筒導流孔(9)和套筒孔眼(14);正常工況下，驅動裝置通過鑽柱帶動空心軸(6 )轉動，空心軸(6 )再通過花鍵(15 )帶動外套筒(I)和鑽頭(17 )轉動破巖；與此同時，鑽壓通過鑽柱傳遞到空心軸(6)上，再通過外套筒(I)內的活塞(3)和彈簧(2)將鑽壓傳遞到外套筒(6)和鑽頭(17)上，實現正常鑽進；當井底發生粘滑振動時，鑽頭(17)旋轉減緩甚至停止轉動，但是井底鑽具仍然會帶動心軸(6)扭轉，因而會在空心軸上端接頭(7 )處產生較大的變形，當變形超過自動閥門開關(11)設定的值後，安裝在空心軸(6 )上端的應變傳感器(8 )會將監測到的信號傳遞給自動閥門開關(11)來打開閥門(10 );閥門(10)打開後，鑽井液通過空心軸導流孔(4)進入套筒缸(5)，再通過套筒導流孔(9)流入環空中；由於空心軸導流孔(4)的直徑比套筒導流孔(9)的直徑大，通過進出口流體壓差將使套筒缸(5 )的體積變大，從而推動外套筒(I)沿軸線向上移動，同時將鑽頭(17 )提升脫離井底；當鑽頭(17)的提升可以實現破巖時，鑽頭(17)和外套筒(I)將會重新同空心軸(6) —起旋轉，此時空心軸(6 )的應變將減小，自動閥門開關(11)會根據應變傳感器(8 )反饋的信息自動關閉閥門(10)，再繼續進行正常鑽進。
2.根據權利要求1所述的一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置，其特徵是:本裝置包括一根空心軸(6)和一個可以相對空心軸(6)軸向移動的外套筒(I)。
3.根據權利要求1所述的一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置，其特徵是:空心軸(6)與外套筒(I)之間通過花鍵(15)連接在一起。
4.根據權利要求1所述的一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置，其特徵是:活塞(3)、擋環(12)、彈簧(2)依次從上至下安置在套筒缸(5)內。
5.根據權利要求1所述的一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置，其特徵是:自動閥門開關(11)預設好了臨界值，當超過預設的臨界值時自動閥門開關(11)會打開閥門(10)。
6.根據權利要求5所述的一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置，其特徵是:空心軸(6 )上端安裝有應變傳感器(8 )，將監測到應變的結果傳遞給自動閥門開關(11)。
7.根據權利要求1所述的一種用於減弱井底鑽具粘滑振動的裝置，其特徵是:空心軸(6)上開有空心軸通孔(13)。
【文檔編號】E21B12/04GK103485726SQ201310470384
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月11日 優先權日:2013年10月11日
【發明者】祝效華, 向國春 申請人:西南石油大學